AR COMPRIMIDO
Nos diversos processos industriais, os sistemas de ar comprimido desempenham
papel fundamental na produção e representam parcela expressiva do consumo
energético da instalação. Entretanto, nem sempre estas instalações recebem os
cuidados devidos, passando a ser uma fonte constante de desperdícios.
1 – Instalações
Um sistema de ar comprimido corretamente projetado irá proporcionar maior
confiabilidade e eficiência nas ferramentas pneumáticas, bem como diminuirá os
custos com energia.
Esse sistema compreende três componentes principais: o compressor, a rede de
distribuição e os pontos de consumo.
1.1- Compressor
Vários fatores influenciam a escolha de um compressor: vazão, pressão e
qualidade requerida do ar. Existem diferentes tipos de compressores: alternativos,
rotativos (palhetas ou parafusos), roots, etc.
A questão referente a qualidade do ar é muito importante e envolve:
a) impurezas sob a forma de partículas sólidas, poeira ou ferrugem;
b) água;
c) óleo (proveniente da lubrificação)
Cada equipamento que consome ar comprimido possui suas exigências
específicas quanto a qualidade do ar. Essas exigências devem ser atendidas para
que o equipamento possa ter um desempenho adequado. Por exemplo: ar para
instrumentação deve ser extremamente limpo; ar para pintura deve ser seco,
isento de óleo e limpo.
Para assegurar a operação confiável do compressor, o ar aspirado deve ser limpo
e não conter poeira, fuligem ou partículas sólidas, pois caso contrário, esses
poluentes ficarão em suspensão no óleo lubrificante ocasionando desgaste
excessivo dos cilindros, anéis dos pistões, mancais, etc. e conseqüentemente
aumentando os custos de manutenção.
Assim, deve-se evitar que a casa dos compressores fique localizada perto de
chaminés, caldeiras, fornos ou equipamentos de jatos de areia. Sua localização
ideal é próxima dos principais pontos de consumo do ar, visando redução no
custo da tubulação e menor perda de pressão.
Outro aspecto importante para assegurar a aspiração de um ar limpo é a
instalação no compressor de um filtro de admissão de ar (no mínimo a 2 metros
acima do solo e 2,5 metros de distância de qualquer parede). Devem ser
instalados diretamente na entrada do compressor.
Em linhas de aspiração muito longas, poderá haver condensação de água e
nesse caso, aconselha-se o uso de separadores de umidade antes do cilindro. No
caso de várias máquinas deve-se usar de preferência, um duto para cada uma.
Em relação a tubulação de descarga do ar, esta deve ser de diâmetro igual ou
superior ao da saída do compressor e ser a mais curta possível até o resfriador
posterior ou ao reservatório pulmão.
Um compressor de ar deve ter necessariamente um sistema de regulagem de
capacidade de tal ordem que adapte sua produção as condições de consumo. Os
tipos básicos para compressores de deslocamento positivo são:
a) Parada e partida
O motor elétrico que aciona o compressor é desligado quando a pressão do
reservatório atinge um determinado valor. Geralmente utilizado em compressores
pequenos e serviço intermitente.
b) Velocidade constante
O motor elétrico que aciona o compressor permanece sempre ligado. Quando a
pressão do reservatório atinge determinado valor pré-fixado, a válvula de
aspiração será deslocada e permanecerá aberta. A partir desse momento, todo ar
aspirado será descarregado pela válvula.
c) Duplo controle
Permite operar o compressor dos dois modos (Parada/Partida e Velocidade
Constante) por intermédio de uma chave seletora. Recomendada para casos de
consumo irregular com picos de demanda por um certo período e longos períodos
de pouca ou nenhuma utilização de ar comprimido.
Atualmente os sistemas de controle dos compressores utilizam a tecnologia dos
inversores de freqüência. Desse modo, a velocidade do motor elétrico é
continuamente ajustada dependendo da demanda de ar, resultando em
considerável economia de energia. Isso elimina a necessidade de alterar o
controle para "partida" e "parada" ou então promover uma atuação na válvula de
sucção.
1.1.1 – Resfriador Posterior
O ar aspirado pelo compressor contém um determinado teor de umidade.
Posteriormente, a medida em que o ar comprimido se resfriar na linha de
distribuição, a umidade se condensará na tubulação, provocando corrosão, além
de ser extremamente indesejável em certas aplicações como a pintura, transporte
pneumático e na vida útil das ferramentas.
Desse modo, após a compressão, torna-se necessário reter o vapor d’água
existente no ar. Isso será feito no resfriador posterior que reduzirá a temperatura
do ar comprimido a uma temperatura inferior a da linha de distribuição e
conseqüentemente condensará esse vapor d’água. Junto a esse resfriador existirá
um separador de condensado onde a umidade do ar será retirada manual ou
automaticamente.
O melhor local para o resfriamento é diretamente junto ao orifício de saída do ar.
O sistema mais simples para os resfriadores posteriores é o de casco e tubos,
onde o ar passa através dos tubos em sentido contrário ao percorrido pela água
(a queda de pressão em um resfriador posterior é relativamente pequena).
1.1.2 - Reservatório Pulmão
Uma instalação de ar comprimido é normalmente equipada com um ou mais
reservatórios de ar que têm pôr funções: armazenar o ar comprimido para
consumo; equalizar as pressões das linhas de consumo; eliminar umidade do ar.
Sua capacidade deve ser de 6 a 10 vezes a capacidade do compressor pôr
segundo. Deve ser instalado fora da casa dos compressores e preferencialmente
na sombra.
Todo reservatório deve possuir válvulas de segurança, manômetro e termômetro.
Outra questão é que os resfriadores posteriores e separadores de condensado,
obtém uma eficiência na retenção da umidade em torno de 80-90%. O restante
acompanha o ar comprimido até o reservatório, onde a velocidade é
consideravelmente reduzida fazendo com que a maior parte dos condensados
residuais deposite-se sobre as paredes e escorra para o fundo deste. Assim é
muito importante a existência de uma tubulação de dreno na parte mais baixa do
reservatório a fim de permitir a retirada dessa água (aproximadamente 5% da
umidade é retida neste estágio).
1.1.3 - Secadores de ar
Consiste no terceiro estágio da separação da umidade contida no ar comprimido.
Sua finalidade é manter o ponto de orvalho do ar, na pressão de saída do
sistema, 10ºC abaixo da mínima temperatura do ambiente onde estão os
instrumentos. Sua utilização é necessária quando um ar de altíssima qualidade é
requerido (instrumentação). Os secadores podem ser por refrigeração ou com
agentes secantes.
1.2 – Rede de Distribuição
Para determinar-se o melhor traçado da tubulação é necessário conhecer a
localização dos principais pontos de consumo, assim como os pontos isolados.
O tipo de rede a ser empregada (aberta ou fechada) deve ser analisado. Em
alguns casos pode ser adequado um circuito fechado em anel .
Outras situações podem exigir uma combinação de anéis e linhas diretas ou ainda
somente uma linha direta pode ser suficiente.
A grande vantagem do circuito fechado é que se ocorrer um grande consumo
inesperado de ar em qualquer linha, o ar pode ser fornecido de duas direções,
diminuindo a queda de pressão.
Fechado
C
Combinado:
anéis – linha
direta
C
Linha direta
C
Mesmo com todos os dispositivos de eliminação da umidade (já vistos), a
tubulação nunca estará isenta do mesmo. Poços de drenagem (com purgadores)
devem ser instalados ao longo da linha a fim de recolher o condensado formado.
Recomenda-se que estes poços tenham diâmetro igual ao da linha e fiquem no
máximo a 40 metros de distância entre si. Sempre que possível às tubulações
devem ser inclinadas no sentido do fluxo, em pelo menos 5% para facilitar a
drenagem e diminuir a perda de carga.
As tomadas de ar devem ser feitas sempre pela parte superior da tubulação,
assegurando assim fornecimento de ar de melhor qualidade ao equipamento.
1.2.1 – Acessórios
Definido o lay-out da rede principal, os ramais e as linhas de serviço aos pontos
de consumo se definem os acessórios necessários.
a) Filtro comum
Para eliminação das partículas que contaminam o ar comprimido (poeiras,
umidade, óleo) e que não foram eliminadas pelos separadores da rede.
b) Filtro coalescente
Sua principal característica é a grande eficiência na retirada do óleo contido no ar.
A coalescência consiste na coleta de finas partículas em suspensão nos gases,
através da coesão entre elas, formando partículas maiores que são mais
facilmente removíveis.
c) Reguladores de pressão
Muitas das operações devem ser realizadas a uma pressão menor que a da linha
de alimentação. Para tanto, usam-se reguladores para adequar a pressão a um
valor desejado. São usadas válvulas de ação direta (recomendadas para redução
de pressão de um só equipamento, e em aplicações sem grandes variações de
fluxo) e válvulas de duplo diafragma (recomendadas para fornecimento de ar à
vários equipamentos).
d) Lubrificadores
Quando se usa o ar para acionar motores, cilindros, válvulas, etc. é necessário
instalar um lubrificador. Os elementos lubrificantes reduzem o atrito e consistem
basicamente de um depósito de óleo que tenha sido desenhado de tal maneira
que, quando o ar circula pôr ele, uma quantidade de óleo transforma-se em
neblina. O óleo conduzido pela corrente de ar, lubrifica as partes móveis do
equipamento acoplado. Devem ser evitados óleos com aditivos, pois o óleo é
eliminado sob a forma de vapor, através de válvulas de exaustão de
equipamentos pneumáticos, sendo, portanto, tóxicos.
e) Purgadores
Eliminador automático da água que se acumula nas diferentes partes da
instalação de ar comprimido. O mais indicado é do tipo eliminador de bóia, que
abre somente para descarregar a água, fechando hermeticamente após a sua
eliminação.
f) Separadores de umidade
Os purgadores se encarregam de descarregar a água acumulada no fundo do
tubo principal ou em qualquer ponto da instalação; nada pode fazer com relação a
neblina de gotículas de água que podem estar suspensa no ar. Os separadores
de umidade cumprem esta missão.
g) Mangueiras
Ferramentas pneumáticas e outros dispositivos acionados a ar comprimido são
em geral ligados à rede de ar através de mangueiras. Essas mangueiras devem
ser leves, flexíveis e suportar a pressão do ar (4 a 5 vezes a pressão máxima de
trabalho) e resistir as intempéries. É formada pôr uma camada externa de
borracha, uma camada intermediária de lona e uma camada interna bastante lisa
a fim de apresentar a mínima resistência possível para o ar. Mangueiras de 1” ou
mais devem ser preferencialmente ser fixadas no solo.
h) Engates rápidos
As mangueiras são ligadas à rede e as ferramentas através de engates de
acoplamento.
Quando a mangueira fica perfeitamente ligada à ferramenta, emprega-se com
freqüência o engate tipo rosca. O engate de garras é muito empregado e oferece
grande possibilidade de combinação visto que as garras são de igual tamanho
para vários diâmetros da tubulação ou mangueira.
2) Conseqüências de um Sistema Ineficiente
Um sistema de ar comprimido ineficiente poderá acarretar um aumento
significativo nos custos de operação. Os prejuízos resultantes dessa situação
decorrem de uma baixa pressão de trabalho, aumento do ciclo de operação dos
equipamentos, baixa qualidade do ar e vazamentos.
2.1– Vazamentos
Os vazamentos merecem uma atenção especial, pois desperdiçam grande
quantidade de energia. Na prática é impossível eliminar totalmente os vazamentos
de um sistema, no entanto ele não deve exceder a 5% da capacidade instalada.
As tabelas a seguir apresentam o desperdício de energia provocado por
vazamentos.
Diâmetro do furo
mm
1
3
5
10
Pressão Manométrica
(bar)(~kgf/cm2)
0,5
1,0
2,5
5,0
7,0
Vazamento de ar a 6 bar
(~6 Kgf/cm2)
l/s
m3/min
1
0,06
10
0,6
27
1,62
105
6,3
Potência requerida p/
compressão
kW
0,3
3,1
8,3
33
Descarga de ar em l/s
através de diferentes orifícios
0,5 mm
1 mm
2 mm
3 mm
5 mm
10 mm
12,5mm
0,06
0,08
0,14
0,25
0,33
0,22
0,33
0,58
0,97
0,31
0,92
1,33
2,33
3,92
5,19
2,1
3,0
5,5
8,8
11,6
5,7
8,4
14,6
24,4
32,5
22,8
33,6
58,6
97,5
129,0
35,5
52,5
91,4
152,0
202,0
A metodologia apresentada abaixo, mostra como realizar uma medição
quantitativa de vazamentos (controle tipo parada e partida e velocidade
constante).
a-) Tomar um compressor com capacidade conhecida. Se existir mais de um,
escolher, um com capacidade aproximada de 20% da capacidade total instalada.
b-) Todos os pontos de consumo de ar devem estar conectados normalmente,
mas não em operação.
c-) A entrada em carga e alívio do compressor deve ser feita manualmente.
d-) São necessários dois cronômetros.
e-) Os níveis de pressão de carga e alívio são determinados pôr exemplo:
carga : 6,5 bar e alívio : 7,0 bar
f-) Colocar o compressor em carga até a pressão atingir 7,0 bar. Pôr em alívio e
acionar o cronômetro nº1 (mantê-lo em funcionamento durante todo o teste - T).
g-) Quando a pressão baixar para 6,5 bar, colocar o compressor em carga
novamente e acionar o cronômetro nº2 (mantê-lo em funcionamento enquanto o
compressor estiver carregando - t).
h-) repetir o teste cinco vezes.
i-) quando a pressão atingir novamente 7,0 bar no ciclo final, paralisar ambos os
cronômetros.
Q.t
Vazamentos =
T
Q - capacidade do compressor
t - tempo em carga do cronômetro nº2
T- tempo total do cronômetro nº1
2.2– Temperatura do ar
A temperatura de sucção do ar que será aspirado pelo compressor é um aspecto
muito importante, pois quanto mais quente o ar, menor o rendimento da
instalação.
Para cada 4ºC de acréscimo na temperatura do ar aspirado, o compressor
consumirá 1% a mais de potência para entregar o ar nas mesmas condições.
Este aumento de temperatura diminui a massa específica do ar (massa de ar
contida numa unidade de volume) em cerca de 1%, resultando também 1% a mais
no volume. Para satisfazer essa condição é necessário captar o ar fora da casa
dos compressores.
Exemplos:
A 15ºC a massa específica do ar é 1,225 Kg/m3
A 30º C a massa específica do ar é 1,164 Kg/m3 (- 5%)
2.3– Tubulação de admissão de ar
A tubulação de aspiração de ar deve ser projetada de maneira a ter o mínimo
comprimento e o menor número de curvas possível a fim de minimizar a perda de
carga.
Para cada 25 mbar de perda de carga na aspiração o rendimento do
compressor irá cair 2%.
2.4– Capacidade de ar necessária
É de fundamental importância o conhecimento da quantidade exata de ar
necessária para todos os equipamentos pneumáticos existentes. Uma estimativa
abaixo dessa capacidade resultará em pressões inadequadas nos pontos de
consumo e estimativas muito altas acarretarão grande investimento inicial e baixa
eficiência do sistema.
A maioria dos equipamentos pneumáticos opera a 6 bar de pressão manométrica.
Para se conseguir esse nível de pressão no equipamento final é necessário um
cuidadoso cálculo para se determinar a pressão de trabalho do compressor.
Devemos ter uma pressão de ar suficiente nos pontos de consumo. A pressão do
ar exerce uma influencia muito grande no desempenho das ferramentas
pneumáticas. Uma pressão de trabalho muito baixa, diminui a potência dessas
ferramentas, resultando aumento no tempo de operação e conseqüentemente
aumentando os custos de produção. Uma das causas da baixa pressão nos locais
de consumo pode ser a produção de uma quantidade insuficiente de ar
comprimido (é comum acrescentar novas ferramentas a uma linha já existente,
sem verificar se isso afeta o desempenho do sistema).
Para evitarmos isso, devemos sempre ter um compressor de capacidade
adequada a fim de manter a pressão nos pontos de consumo. Um sistema
sobrecarregado, trabalhando além da capacidade original provocará uma baixa
pressão nos locais de consumo.
Para obtenção da carga máxima do compressor será necessário somar o
consumo total de todos os equipamentos consumidores existentes (em litros/s). A
carga média do compressor é obtida multiplicando-se o consumo total de ar pelo
fator de utilização (tempo estimado de trabalho de cada ferramenta durante uma
hora).
Convém admitir uma tolerância de 10 a 15% da capacidade do compressor devido
aos vazamentos e estimar o aumento da capacidade do sistema para futuras
expansões também entre 10 a 15% ao ano.
2.5– Tipo de Controle do Compressor
O sistema mais indicado para racionalizar o consumo de energia é através da
utilização dos inversores de freqüência, pois desse modo o trabalho do
compressor é ajustado em função da demanda de ar.
2.6 – Manutenção do Compressor
Os custos operacionais são afetados diretamente pela eficiência de um sistema
de manutenção. Uma manutenção adequada evita paradas de emergência
aumentando a disponibilidade do equipamento para a operação.